CC BY
65
А.И. Климов,
доктор технических наук, доцент
А.Б. Антиликаторов,
кандидат технических наук, доцент, Воронежский институт ФСИН России
ПРИМЕНЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИКОВ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ В УСТРОЙСТВАХ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ С ФАЗОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ
USE OF DIELECTRICS WITN ELECTRICALLY STEERABLE CHARACTERISTICS IN DEVICES PRODUCING PHASE MODULATED SIGNALS
Представлены результаты теоретических исследований свойств электрически управляемых искусственных жидких диэлектриков для СВЧ фазовращателей и моду -ляторов.
Results of theoretical research of properties of electrically steerable artificial liquid dielectrics for SHF phase shifters and modulators are presented.
Анализ перспективных вариантов электрически управляемых устройств регулирования фазы СВЧ (КВЧ) колебаний показывает, что в качестве сред с электрически управляемым показателем преломления в них могут быть использованы жидкие кристаллы [1] или искусственные жидкие диэлектрики (ИЖД) [2, 3]. Однако жидкокристаллические среды характеризуются довольно большим поглощением СВЧ колебаний; известные ИЖД характеризуются малым поглощением, но имеют существенный недостаток, ограничивающий их применение, — низкую временную стабильность параметров [1—3]. ИЖД представляют собой грубодисперсные системы — суспензии или, иначе, взвеси металлических частиц (например, алюминия) в жидких неполярных диэлектриках (углеводородов состава CnH2n+2 или фторуглеродов CnF2n+2), имеющих низкие диэлектрические потери в СВЧ и КВЧ диапазонах. Для эффективного управления показателем преломления ИЖД металлические частицы должны иметь анизометрич-ную форму (игл, чешуек и т.д.). Размеры частиц в зависимости от рабочей длины волны составляют единицы и сотни микрометров. Использование более мелких частиц, очевидно, сопряжено с увеличением напряженности управляющего электрического поля.
Для повышения временной стабильности параметров ИЖД используются следующие способы [2]: перемешивание путем прокачки через рабочую полость устройства СВЧ (КВЧ), а также с помощью ультразвуковых колебаний; применение стабилизирующих поверхностно-активных веществ; использование явления тиксотропии. В то же время перспективным представляется использование стабильных во времени коллоидных растворов и (или) ограничение пространственных перемещений частиц дисперсной фазы ИЖД (капсулирование [7]) в рабочем объеме устройства СВЧ (КВЧ).
Существование коллоидной системы возможно, если размер частиц (для упрощения — диаметр d частиц сферической формы) удовлетворяет следующему неравенству [4]:
d<
( 2,т V/7
h kT
Pf (Pf-Ps ) g
22
У
(1)
где п — вязкость жидкости; к — постоянная Больцмана; Т — температура; р — плотность материала частиц; р8 — плотность жидкости; g — ускорение свободного падения.
Для п-гептана (С7Н16) с п=0,414-10-3 Па-с и р§=0,68-103 кг/м3 и алюминиевых частиц с рг=2,7403 кг/м3 при Т=293 К расчет по (1) дает ё<0,13 мкм, т.е., диаметры алюминиевых частиц не должны превышать 0,13 мкм. С учетом обеспечения надежной работы антенны или устройства СВЧ (КВЧ) в широком интервале температур (233—333 К) указанный размер следует скорректировать до 0,1 мкм.
Анализ неравенства (1) показывает, что увеличение предельных значений величины ё требует выбора частиц из материала с наименьшей плотностью, а также жидкостей с высокой вязкостью. В первом случае возможности, очевидно, весьма ограничены; во втором они тоже невелики, поскольку при увеличении вязкости резко увеличивается время переориентации частиц в управляющем поле, что снижает быстродействие устройств СВЧ (КВЧ).
Для практических целей важно оценить концентрацию коллоидных частиц, обеспечивающую требуемую относительную диэлектрическую проницаемость ИЖД, а также пределы изменения последней под действием управляющего электрического поля. Для этого воспользуемся моделью искусственного диэлектрика в виде неполярного диэлектрика с равномерно распределенными по его объему металлическими частицами [5]. Относительная диэлектрическая проницаемость 8и среды определяется выражением [5]
N0
е и =е 1+-^ , (2)
££ 0'
где 8 — относительная диэлектрическая проницаемость неполярного диэлектрика; N
— концентрация металлических частиц; в — электронная поляризуемость отдельно взятой частицы; 80 — диэлектрическая постоянная.
В частности, при использовании дисков радиусом г=150 мкм для получения 8и=2,2 требуемая концентрация частиц N=5,6-103 см-3; при радиусе г=0,15 мкм и сохранении 8и требуется концентрация N=5,6-10^ см-3. Если пропорционально радиусам уменьшена и толщина дисков, то, как показывает расчет, переход к коллоидным частицам не приводит к увеличению массовой доли металла в ИЖД.
Не менее важно получить выражение, связывающее изменение относительной диэлектрической проницаемости ИЖД и величину напряженности управляющего электрического поля. В работе [6] приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований эффекта Керра в газах и жидкостях, а также в коллоидных растворах диэлектрических частиц (либо молекул полимера). Эффект Керра в суспензиях с металлическими частицами описан в работах [2, 3]. На практике наиболее целесообразно использовать частицы в виде тонких игл или цилиндров, поскольку при этом обеспечивается более высокая фазовая активность ИЖД, нежели в случае частиц в форме дисков или сфероидов [6].
В данной работе предложена следующая модель ИЖД для определения зависимости его относительной диэлектрической проницаемости от напряженности управляющего электростатического поля 8и(Бо): изотропный жидкий неполярный диэлектрик с однородным распределением по объему электропроводящих частиц в виде бесконечно тонких цилиндров с электронной поляризуемостью в направлении оси, много большей, чем поляризуемости в других направлениях.
На рисунке Е0— вектор напряженности управляющего постоянного электрического поля; Е — вектор напряженности электрического поля СВЧ волны, распростра-
няющейся вдоль оси 02; 30— единичный вектор, направленный вдоль оси частицы; 9
— угол между осью частицы и направлением управляющего поля Е0.
Поле Ё0 создает в среде некоторое распределение частиц по направлениям их ориентации в пространстве. СВЧ поле Ё индуцирует переменную электрическую поляризацию Р, определяющую диэлектрические проницаемости ИЖД для волн с различной поляризацией.
К анализу свойств ИЖД
Для произвольного случая, в том числе воздействия на ИЖД сильного управляющего поля, получено новое выражение, описывающее изменение величины относительной диэлектрической проницаемости ИЖД As:
Mzi® (3)
2eo ’
П л 2/1
j e cos cos2 в sin OdO
F = cos2 в = —----------------------- A =
П , ’ 2s2kT
j cos в sinOdO
0
Выражение (3) использовано для сравнительной оценки изменения относительной диэлектрической проницаемости As грубодисперсного ИЖД в виде суспензии и высокодисперсного ИЖД в виде коллоидного раствора металлических частиц в форме эллипсоидов вращения с большей полуосью размером а и равными малыми полуосями размерами b=c=0,la в жидком диэлектрике с s=2. Температура ИЖД принята равной Т=300 К.
Выполнены расчеты As и диэлектрических проницаемостей анизотропного ИЖД в
2De De тртау-тт
ортогональных направлениях spar = e п = e и + —— и sort= e^=e и-для ИЖД в виде сус-
3 3
16 3
пензии (а=100 мкм, b= 10 мкм, N=2-10 см- ) и для ИЖД в виде коллоидного раствора (а=1 мкм, b=0,1 мкм, N=2^1012 см-3). В обоих вариантах ИЖД концентрации частиц выбраны так, чтобы в отсутствие управляющего электростатического поля относительная диэлектрическая проницаемость изотропного ИЖД была бы равна s^2,084.
Анализ полученных оценок показывает, что, например, приращение As=0,2 в случае ИЖД в виде суспензии достигается уже при напряженности поля Е=500 В/м=5 В/см; при напряженностях более 1000 В/м наступает насыщение — дальнейший рост As прекращается, поскольку все частицы ДФ выстраиваются вдоль силовых линий электростатического поля. В случае же ИЖД в виде коллоидного раствора то же приращение As=0,2 достигается при напряженности поля Е=500 кВ/м=5 кВ/см, т.е., на три порядка большей, чем для ИЖД в виде суспензии. Это объясняется тем, что тепловое движение частиц ДС препятствует ориентации малоразмерных частиц ДФ.
Для оценки управляемого фазового сдвига СВЧ колебаний, например, в фазовращателе на основе заполненного ИЖД отрезка прямоугольного металлического волновода длиной L с волной Н10 можно воспользоваться выражением
Dj(E°)= 2p^<1/eTО10 )2-Je±" £)2), (4)
где а — внутренний размер широкой стенки волновода.
В целом полученные результаты показывают, что ИЖД в виде стабильных коллоидных растворов, как и ИЖД в виде суспензий, могут быть использованы в управляющих устройствах СВЧ — фазовых модуляторах и фазовращателях при условии обеспечения необходимой электрической прочности собственно устройств СВЧ и электронных схем управления.
С другой стороны, для получения ориентационного эффекта при невысоких напряженностях управляющего поля и высокой временной стабильности параметров ИЖД может быть достаточным как бы «подвесить» каждую частицу или их малую группу в определенном месте — центре равновесия, обеспечив лишь возможность свободного вращения частиц. Поэтому эффективным способом повышения временной стабильности ИЖД может быть микрокапсулирование металлических частиц [7]. ИЖД в этом случае целесообразно использовать для получения не плавно регулируемых, а дискретных фазовых сдвигов СВЧ колебаний с помощью ортогональных по направлению управляющих электрических полей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Управляемый сверхвысокочастотный жидкокристаллический фазовращатель / Б. А. Беляев [и др.] // Письма в ЖТФ. — 2008. — Т. 34. — № 11. — С. 19—28.
2. Линзовые антенны с электрически управляемыми диаграммами направленности / С .М. Авдеев, Н. А. Бей, А.Н. Морозов; под ред. Н. А. Бея. — М.: Радио и связь, 1987. — 128 с.
3. Buscher Н.Т. Electrically Controllable Liquid Artificial Dielectric Media // IEEE Trans. Microwave Theory and Techn. — 1979. — V. 27 — N 5. — P. 540—545.
4. Шлиомис М.И. Магнитные жидкости // Усп. физ. наук, 1374. — Т. 112. — Вып. 3. — С. 427—458.
5. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. — М. : Энергия. 1973. — 440 с.
6. OKonski С.Т. Molecular Electro-Optics. Part 1. Theory and Methods. — New York: Dekker, 1976.
7. Солодовник В.Д. Микрокапсулирование. — М.: Химия, 1980. — 228 с.
